HSDPA中繼系統(tǒng)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度算法研究

丁曉貴 胡丁丁

【摘要】 在傳統(tǒng)的高速下行鏈路分組接入（HSDPA，High Speed Downlink Packet Access）系統(tǒng)中，對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的調(diào)度，主流算法是修正的最大加權(quán)時(shí)限優(yōu)先（Modified-Largest Weight Deadline First，M-LWDF）算法。但由于中繼的引入，中繼用戶的延時(shí)增加必然會(huì)導(dǎo)致中繼用戶的丟包率增大，從而降低了系統(tǒng)的性能。基于此，本文提出了一種改進(jìn)的M-LWDF算法，并通過(guò)VoIP業(yè)務(wù)對(duì)該算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明該算法能夠在保證用戶QoS要求的前提下，提高系統(tǒng)吞吐量。

【關(guān)鍵詞】 高速下行鏈路分組接入 中繼 分組時(shí)延 調(diào)度

由于中繼技術(shù)能夠提高系統(tǒng)吞吐率，增強(qiáng)系統(tǒng)覆蓋，因而在B3G/4G系統(tǒng)[1][2]中得到了廣泛的關(guān)注，并已經(jīng)被LTE-A標(biāo)準(zhǔn)所采用[3]。對(duì)于HSDPA標(biāo)準(zhǔn)，目前也有公司在開(kāi)始考慮引入中繼來(lái)提升系統(tǒng)性能。

在現(xiàn)有的HSDPA系統(tǒng)中，對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的調(diào)度，文獻(xiàn)[6]針對(duì)HSDPA移動(dòng)中繼系統(tǒng)，通過(guò)分析直傳用戶和中繼用戶的時(shí)延差，提出了一種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的調(diào)度方案。然而，移動(dòng)中繼一般只做簡(jiǎn)單的重傳操作且只服務(wù)于一個(gè)用戶，因此其時(shí)延計(jì)算與固定中繼存在較大的差別，從而導(dǎo)致該調(diào)度方案并不能很好的應(yīng)用于本文場(chǎng)景。本文針對(duì)HSDPA系統(tǒng)中FDM Type I中繼，通過(guò)分析中繼用戶的時(shí)延，提出了一種改進(jìn)的M-LWDF算法，并通過(guò)系統(tǒng)級(jí)仿真對(duì)該算法的性能進(jìn)行了分析。

一、HSDPA中繼系統(tǒng)場(chǎng)景及其分析

HSDPA中繼系統(tǒng)場(chǎng)景[4]如圖1所示，包含一個(gè)eNB（evolved Node B，eNB），K個(gè)中繼和N個(gè)用戶，其中歸屬于基站的有N0個(gè)用戶，集合為N0={1，2，…，N0}，歸屬于第i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的有Ni個(gè)用戶，集合為Ni={1，2，…，Ni}。eNB和中繼根據(jù)各鏈路反饋的信道質(zhì)量指示CQI（Channel Quality Index，CQI）確定編碼調(diào)制等級(jí)（Modulation and Coding Scheme，MCS），選擇合適的編碼和調(diào)制方式，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。數(shù)據(jù)包到達(dá)eNB之后按照FIFO進(jìn)行排隊(duì)，并記錄當(dāng)前的時(shí)間戳。MAC層資源調(diào)度器根據(jù)隊(duì)列信息（Queue Information，QI），如隊(duì)列頭分組時(shí)延、隊(duì)列長(zhǎng)度以及CQI等對(duì)各個(gè)用戶和中繼進(jìn)行調(diào)度。

1.1 基站用戶QoS約束

1.2 中繼用戶QoS約束

二、HSDPA中繼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度算法

在傳統(tǒng)的HSDPA系統(tǒng)中，由于中繼的引入，同一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)下有多個(gè)QoS不同的業(yè)務(wù)，因此采用傳統(tǒng)的M-LWDF調(diào)度算法會(huì)導(dǎo)致以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）中繼節(jié)點(diǎn)下有多個(gè)用戶，不同用戶的QoS要求和HoL分組時(shí)延不同，而M-LWDF調(diào)度算法涉及到QoS要求和HoL分組時(shí)延，因此選擇哪一個(gè)分組的QoS要求和HoL分組時(shí)延用于中繼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)計(jì)算，這是HSDPA中繼系統(tǒng)調(diào)度算法的第一個(gè)問(wèn)題。（2）每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)下一般有多個(gè)用戶，如何保證用戶多、接近時(shí)延門(mén)限數(shù)據(jù)包多的中繼能夠獲得更高的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，這將是HSDPA中繼系統(tǒng)調(diào)度算法的第二個(gè)問(wèn)題。

2.1 基站直傳用戶和中繼用戶接入鏈路的調(diào)度算法

根據(jù)HSDPA中繼系統(tǒng)場(chǎng)景分析，本文所提算法的調(diào)度優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分：基站直傳用戶、中繼Backhaul鏈路和中繼用戶接入鏈路，其中前兩者優(yōu)先級(jí)由基站計(jì)算并應(yīng)用于基站端的調(diào)度過(guò)程，中繼用戶接入鏈路的優(yōu)先級(jí)由中繼節(jié)點(diǎn)計(jì)算，應(yīng)用于中繼端的調(diào)度過(guò)程。

2.2 中繼Backhaul鏈路的調(diào)度算法

中繼節(jié)點(diǎn)，其優(yōu)先級(jí)的計(jì)算直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。對(duì)于問(wèn)題（1），從公式（4）中可以看出，M-LWDF調(diào)度優(yōu)先級(jí)計(jì)算公式中涉及到QoS要求和HoL分組時(shí)延的因子有αj和Wj（t），針對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)分別引入兩個(gè)參數(shù)αr，i和Wr，i（t）用于計(jì)算中繼節(jié)點(diǎn)的調(diào)度優(yōu)先級(jí)，如公式（5）和（6）所示：

三、仿真分析

搭建了HSDPA中繼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度仿真平臺(tái)，用于驗(yàn)證本文提出的HSDPA中繼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度算法的系統(tǒng)性能，并與傳統(tǒng)的兩層M-LWDF調(diào)度算法和沒(méi)有中繼場(chǎng)景（w/o relay）下的M-LWDF調(diào)度算法以及HSDPA移動(dòng)中繼系統(tǒng)中的調(diào)度算法（MR-Schedule Scheme）進(jìn)行了比較。仿真中每個(gè)扇區(qū)部署4個(gè)中繼，信道模型采用PA3信道，業(yè)務(wù)模型采用VoIP業(yè)務(wù)[7]，分組包大小固定為80byte，最大時(shí)延容忍門(mén)限為50ms，分組時(shí)延超過(guò)該門(mén)限的分組就會(huì)被基站丟棄。

圖2出了不同調(diào)度算法下的系統(tǒng)吞吐量的比較，從圖中可以看出，本文所提與對(duì)比算法在用戶數(shù)較少時(shí)，吞吐量接近，而當(dāng)用戶較多時(shí)，明顯要優(yōu)于對(duì)比算法。圖3和圖4分別給出了不同調(diào)度算法下的平均分組時(shí)延和丟包率，圖中可以看出，用戶數(shù)較少時(shí)性能接近，而當(dāng)用戶數(shù)增加時(shí)，本文所提算法的性能優(yōu)勢(shì)比較明顯。

本文在中繼技術(shù)增強(qiáng)的HSDPA系統(tǒng)中，從實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)質(zhì)量要求和中繼用戶的分組時(shí)延要求出發(fā)，提出了一種針對(duì)HSDPA中繼系統(tǒng)的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)調(diào)度算法。通過(guò)仿真對(duì)該算法進(jìn)行了性能分析，并與沒(méi)有中繼場(chǎng)景下的M-LWDF調(diào)度算法、中繼場(chǎng)景下文獻(xiàn)[10]中的參考算法和傳統(tǒng)的兩跳M-LWDF算法進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明該算法在系統(tǒng)性能方面有較好的表現(xiàn)。